Метод и алгоритмы оценивания координат и скоростей объектов в доплеровских системах на основе локальных аппроксимационных моделей Фирсов Алексей Андреевич

Введение к работе

Актуальность темы. Диссертационная работа соответствует

высоким требованиям к решению современных задач оценивания координат и скоростей движущихся объектов на базе доплеровских систем в экспериментальной механике, физике, медицине, биологии и т.д.

Традиционные доплеровские системы ориентированы на измерение
скоростей движущихся объектов. Существующие методы и алгоритмы,
разработанные для указанных систем, в основном, производят

вычисления усредненных оценок доплеровских скоростей. Однако, системы данного класса могут применяться для более широкого диапазона решаемых задач. Предлагаемая диссертационная работа посвящена разработке метода и алгоритмов оценивания декартовых координат, скоростей и частот излучения движущихся объектов в виде функций времени.

Перед современными доплеровскими системами ставятся задачи по
фильтрации помеховых отражений в сигналах, обеспечению

пространственного разрешения движущихся на малом расстоянии друг от
друга объектов и извлечения дополнительной информации из

доплеровских сигналов. Диссертационная работа позволяет решать эти задачи.

Диссертационная работа ориентирована на повышение показателей точности измерений доплеровских систем.

В настоящее время компьютерные средства с существующими
параметрами быстродействия и объемами памяти позволяют

реализовывать достаточно сложные алгоритмы оценивания

кинематических параметров объектов для доплеровских систем. Метод и алгоритмы, предложенные в диссертационной работе, базируются на использовании современных компьютерных средств. Применение ЭВМ следующего поколения позволяет расширить предложенные методы и алгоритмы.

Диссертационная работа содержит ряд инновационных

составляющих, которые позволяют произвести качественное улучшение доплеровских систем: 1. Расширение функциональных возможностей систем; 2. Упрощение конструкций; 3. Повышение показателей точности и надежности; 4. Обеспечение унификации на основе использования

единой системы методов и алгоритмов для доплеровских устройств разного типа.

Перечисленные выше аргументы позволяют сделать вывод об актуальности темы предлагаемой диссертационной работы.

Цель исследования – разработка метода и алгоритмов оценивания координат и скоростей движущихся объектов на основе локальных аппроксимационных моделей для доплеровских систем.

Объектом исследования являются непрерывные и

квазинепрерывные доплеровские сигналы от акустических, радио и оптических систем, характеризуемые нестационарностями и сложными структурами, которые определяются конструкциями указанных систем, физическими принципами их работы и внешними возмущениями.

Предметом исследования являются метод и алгоритмы оценивания координат и скоростей движущихся объектов на основе локальных аппроксимационных моделей для доплеровских систем, работающих в акустическом, радио и оптическом диапазонах частот.

Основные задачи исследования:

1. Создание метода оценивания координат и скоростей объектов на основе локальных аппроксимационных моделей для доплеровских систем.

2. Разработка алгоритмов и их программных реализаций для решения задачи оценивания координат и скоростей движущихся объектов.

3. Оценивание погрешностей предложенных метода и алгоритмов на основе математического и статистического моделирования.

4. Проведение экспериментальной проверки разработанных метода и алгоритмов на реальных данных.

Методы исследования. В диссертации применяются методы
системного анализа, теории принятия решений и последовательного
анализа, цифровой обработки сигналов, математического

программирования и оптимизации, статистического анализа и

математического моделирования.

Теоретическая и методологическая основа базируется на работах отечественных и зарубежных специалистов в области теории и применения акустических, радио и лазерных систем, цифровой обработки сигналов, математического программирования и статистического анализа экспериментальных данных: Urick R.J., Burdic W.S., Маслов В.К., Торопов В.Н., Теверовский В.И., Skolnik M.I., Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Васильев В.Н., Гуров И.П., а также Himmelblau D., Oppenheim A.V., Bendat J.S., Piersol A.G.

Научная новизна результатов работы: 1. Метод оценивания координат и скоростей движущихся объектов на основе цифровой обработки нестационарных и структурно сложных доплеровских сигналов от акустических, радио и оптических систем,

который является новым благодаря использованию локальных

аппроксимационных моделей, являющихся линейными по части параметров, что снижает размерность поисковых процедур.

2. Единые по своей структуре алгоритмы оценивания кинематических параметров объектов на основе предложенного метода.

3. Новое решение задачи оценивания координат и скоростей объектов для доплеровских акустических систем, позволяющее производить измерения на дальних дистанциях и не требующее длительных наблюдений.

4. Новое решение задачи пространственного разрешения излучателей для доплеровских акустических систем, находящихся на малом расстоянии друг от друга и генерирующих излучения на близких или равных частотах.

5. Решение актуальной задачи устранения помеховых отражений для доплеровских акустических систем, учитывающее флюктуирующие и рассеянные отражения.

6. Решение актуальной задачи оценивания быстроизменяющихся доплеровских скоростей объектов для радиосистем, которое учитывает внешние помеховые возмущения.

7. Новое решение задачи оценивания доплеровских скоростей вибрирующих объектов для лазерных систем, не требующее применения оптических гетеродинных устройств.

Новые результаты защищены 4 охранными документами

Федеральной службы по интеллектуальной собственности (Роспатент). Практическая и научная значимость исследования:

1. Предложенные метод и алгоритмы расширяют функциональные возможности существующих доплеровских систем. Производится оценивание декартовых координат, скоростей и частот излучения движущихся объектов в виде функций времени.

2. Созданные метод и алгоритмы обеспечивают упрощение конструкций доплеровских систем. Для оптической доплеровской системы предлагается схема без оптического гетеродина в отличие от существующих лазерных доплеровских виброметров (ЛДВ). Для радио и акустических доплеровских систем предлагаются для использования простые схемы.

3. Разработанные метод и алгоритмы позволяют уменьшить показатели погрешностей. В зависимости от используемой доплеровской системы и решаемой задачи увеличение точности составляет от 1.1 до 4 раз.

4. Предложенная технология цифровой обработки доплеровских сигналов позволяет создавать современные методы и алгоритмы оценивания координат и скоростей объектов для доплеровских систем.

5. Разработанные метод и алгоритмы универсальны применимо к доплеровским системам, работающим в акустическом, радио и

оптическом диапазонах, и могут быть использованы для многих
приложений, где необходимо произвести оценивание координат и
скоростей движущихся объектов. Например, для измерения

кинематических параметров беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в городских условиях, вакуумных поездов в тоннелях при помощи внешних контролирующих устройств и бесконтактной виброметрии опасных для жизни человека и хрупких объектов.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

6. Метод оценивания координат и скоростей движущихся объектов в доплеровских системах на основе локальных аппроксимационных моделей.

7. Решение задачи оценивания координат и скоростей объектов как функций времени для доплеровских акустических систем.

8. Решение задачи пространственного разрешения излучателей для доплеровских акустических систем.

9. Решение задачи устранения помеховых отражений для доплеровских акустических систем.

10. Решение задачи оценивания доплеровских скоростей объектов как функций времени для радиосистем.

11. Решение задачи оценивания доплеровских скоростей вибрирующих объектов как функций времени для лазерных систем.

12. Алгоритмы, разработанные на основе предложенного метода, для решения указанных задач.

13. Погрешности реализованных метода и алгоритмов.

Достоверность результатов обеспечивается строгим

использованием математического аппарата и тем, что экспериментально полученные результаты соответствуют теоретическим положениям диссертации.

Реализация результатов. Созданные метод и алгоритмы

реализованы в виде программ для ЭВМ и зарегистрированы в Роспатенте. Научные и практические результаты, представленные в диссертации, внедрены и использованы в организациях:

14. ФГУП ВНИИФТРИ при выполнении эскизного проекта ОКР Батарея-ТОФ, реализуемого в соответствии с Государственным заказом.

15. ООО ИНТЕРЮНИС-ИТ в рамках проекта по разработке систем вибрационного мониторинга Лель-М/A-Line 32D (DDM-M).

Копии актов внедрения результатов работы и свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ приведены в приложениях 1-6 диссертации.

Апробация работы. Основные положения и результаты

диссертационной работы докладывались на 11 конференциях: 1. Научная сессия НИЯУ МИФИ. Москва. 2011, 2012, 2013, 2014, 2015.

2. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. НИУ МЭИ. Москва. 2011, 2012, 2013.

3. Международная конференция Цифровая обработка сигналов и ее применение - DSPA. РНТОРЭС им. А.С. Попова. Москва. 2012.

4. Всероссийская конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике. РОНКТД. Москва. 2014.

5. Форум Территория NDT. РОНКТД. Москва. 2016.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 18 печатных работах, из них 3 в журналах, входящих в перечень ВАК и представленных в базе данных научной периодики Scopus, и 1 в журнале, входящем только в перечень ВАК. Также получено 4 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора. Все научные и практические результаты, представленные в диссертации, получены автором лично или с участием коллег-соавторов.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 121 печатную страницу текста и состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и 6 приложений. Основная часть диссертации содержит 115 страниц текста и 32 рисунка. Список литературы включает 119 источников. Приложение включает копии актов внедрения и копии свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.